JP5648021B2 - 熱式空気流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、熱式空気流量センサに係り、特に自動車エンジンの吸気系に設置してエンジンの吸入空気量を検出するのに適する熱式空気流量センサに関する。

従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。

最近では、半導体マイクロマシニング技術によりシリコン基板上に抵抗体や絶縁層膜を堆積した後で、KOHなどを代表とする溶材でシリコン基板の一部を除去し、薄膜部（ダイアフラム）を形成する空気流量センサが高速応答性を有することや、その応答性の速さを利用して逆流検出も可能であることから注目されている。また近年では、基板部（プリント基板や、セラミック基板など）の部品低減を目的として、流量検出素子や回路基板などを同一のリードフレーム上に実装し、その外周部を射出成形法により樹脂で封止することで、流量検出素子などを一体にした樹脂パッケージを作成することの検討が進められている。

一方、LSIやマイコンなどの半導体回路素子を樹脂で封止する場合は、回路素子とリードフレームはシート接着剤を用いて接着されることが多い。シート接着材の一般的な使用方法は、半導体回路ウエハの状態で裏面側にシート接着材を貼り付けて、ダイシング工程で個片化する際にシート接着層も同時に切断することによって、半導体回路チップ裏面全面にシート接着材が張り付いた状態となる。これによって、個片化された半導体回路素子をそのままリードフレーム上に実装することができるので、溶剤式の接着材を使用する時のように溶剤を印刷する工程が省けるといった利点がある。

電子素子と支持基板との接着について、特許文献１に記載の発明がある。特許文献１には、取付ベースと電子部品との間を接着固定するための電子部品用接着シートに、平面視で各々所定面積を有する複数の開口部が形成されていることが開示されている。特許文献１によれば、電子部品とシート接着剤を貼り合わせる際のエア巻き込みによる凸部形成を防止することができるので、取付ベースと電子部品の密着性を向上できる。

特開２００３−２３４３６０号公報

半導体素子に薄膜部が形成された流量検出素子を支持基板に実装する場合に、薄膜部の裏面側の空洞部が密封状態になってしまうと、温度変化や圧力変化に伴って裏面側の空洞部に密封される空気の体積が変動してしまい、薄膜部が変形する場合がある。その様な場合には、センサの特性が変化してしまうので空気流量を検出する際に誤差が生じる可能性がある。そのため、流量検出誤差を抑制するために、薄膜部の裏面側の空洞部を密封しないように流量検出素子を支持基板に実装する必要がある。

しかしながら、特許文献１で扱われている電子部品は、裏面加工が施されていないブロック状電子部品である。特許文献１は、ブロック状の電子部品と取付ベースをシート接着材で接着する発明であるので、裏面加工が施されている流量検出素子を支持体に取り付ける際に、薄肉部の裏面側の空洞部を密封しないことについては検討の余地がある。

本発明の目的は、検出精度の高い熱式流量センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の熱式流量センサは、半導体基板を加工して設けられるダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の上流側と下流側にそれぞれ設けられる側温抵抗体と、を有する流量検出素子と、前記流量検出素子を、シート接着剤を介して接着保持する支持部材と、を備え、前記支持部材は、前記ダイアフラムの裏面側に設けられる空洞部に一方が開口する連通孔を有しており、前記シート接着剤は、前記支持部材の連通孔の開口領域に換気孔が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、検出精度の高い熱式流量センサを提供することができる。

本発明の第一実施例の(a)横から見た断面概略図、(b)上から見た概略図。 本発明の第一実施例の(a)横から見た断面概略図、(b)上から見た概略図。 本発明の第一実施例の概略図。 本発明の第二実施例の(a)横から見た断面概略図、(b)上から見た概略図。 本発明の第二実施例の(a)横から見た断面概略図、(b)上から見た概略図。 本発明の第二実施例を用いた熱式流量計の構成図 本発明の第三実施例の(a)流量検出素子の裏面側概略図、(b)シート接着剤の概略図、(c)シート接着剤の換気孔の寸法概略図 本発明による熱式流量計の構成図

本発明の熱式空気流量センサについて、図８を用いて説明する。

本発明の熱式空気流量センサは、吸入空気１を自動車の内燃機関（図示せず）に供給するための吸気管路５内に、ハウジング３と、半導体パッケージ２とを設ける。

ハウジング３は、外部と電気的に接続するためのコネクタ部１２と、回路が配設される回路室１６と、ハウジング３を吸気管路５に固定するフランジ部４と、吸入空気１の一部を取り込む副通路６を備えている。

コネクタ部１２は、コネクタ端子８を有している。コネクタ端子８は、一端が回路室１６に延伸して半導体パッケージ２と回路室１６内で電気的に接続され、もう一端がコネクタ部１２の嵌合部に延伸して外部端子と電気的に接続される。

ハウジング３は回路室１６とコネクタ部１２の嵌合部に連通する連通孔９が構成されている。連通孔９により、回路室１６を吸気管外と連通しており、回路室１６が密閉されることを防止している。

半導体パッケージ２は、リードフレーム１０と半導体基板２０と回路素子と温度センサとを封止樹脂６０により一体成型することにより作成される。また、半導体パッケージ２は、流量検出部７を吸入空気にさらすように、樹脂６０で覆わずに部分的に露出する領域を有している。流量検出部７は、副通路６内に設けられ、副通路６内を流れる流体の流量から、吸入空気１の流量を算出する。

本発明の第一実施例を図１から図３を用いて説明する。

図１に示されるように、流量検出素子１５はシリコンなどの半導体基板２０上に絶縁膜層および抵抗体層の積層構造膜２６が形成されており、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などを用いて半導体基板２６の裏面側を部分的に除去することでダイアフラム２５を形成している。ダイアフラム２５上に、発熱抵抗体２１と、上流側測温抵抗体２２と、下流側測温抵抗体２３と、が形成される。また半導体基板２０の表面には電極パッド４０が形成されており金線などのワイヤボンディング５０を介して半導体基板２０の外部と電気的に接続される。この流量検出素子１５は、リードフレーム１０上にシート接着剤３０で固定されている。

リードフレーム１０にはダイアフラム２５の裏面側の空洞部の換気を目的とした換気孔１１が形成されている。さらに換気孔３５がシート接着剤３０に形成されている。シート接着剤３０のダイアフラム開口端部２４とリードフレーム１０に形成された換気孔１１とが一致する領域内に換気孔３５を形成することで形成することで、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部とリードフレーム１０に形成された換気孔１１とを連通している。

したがって、図1に示す構造体においてダイアフラム２５の裏面側の空洞部は換気孔１１、３５を介して外気と連通することができる。

次に、図１の構造体を用いて、ダイアフラム２５を含む領域を部分的に露出するように樹脂封止した構造について図２を用いて示す。

図１の構造体の外周部は、封止樹脂６０によって封止されるが、流量検出部であるダイアフラム２５を含む領域を部分的に露出するための開口部６１が封止樹脂６０に形成されている。また、リードフレーム１０に形成された換気孔１１と外気とを連通するための開口部６２が、封止樹脂６０の開口部６１が形成されている反対側に形成されている。開口部６２を設けることにより、流量検出素子１５やリードフレーム１０を封止樹脂６０により封止した場合でも、ダイアフラム裏面が外気と連通し、密封状態となることを回避できる。

封止樹脂６０により流量検出素子１５やリードフレーム１０を封止すると、ダイアフラム裏面側に形成される空洞部が密閉されてしまう。自動車の吸気系に配置される熱式空気流量センサは、-４０〜１３０℃の温度変化の生じる環境下に配置されるため、密閉空間に空気が封止されてしまうと、この温度環境化において封止された空気が熱膨張することによりダイアフラム２５が変形してしまう可能性がある。ダイアフラム２５が変形した場合、ダイアフラム２５上に形成されている発熱抵抗体２１、上流側温抵抗体２２、下流側温抵抗体２３の抵抗値が変化してしまうので、流量検出時に誤差が生じてしまう。本実施例によれば、リードフレーム１０とシート接着剤３０と封止樹脂６０とにそれぞれ換気孔１１、３５、６２を設けることでダイアフラム２５の裏面側が大気と連通しているので、熱式空気流量センサが高温化にさらされたとしてもダイアフラムの変形を抑えることができる。それゆえ、本発明によると熱による検出誤差を抑制することができるので、検出精度の高い熱式流量センサを提供することができる。

次に、樹脂封止をする方法について図３を用いて説明する。

流量検出素子１５とリードフレーム１０とを封止樹脂６０で一体に封止して作成した半導体パッケージ２は、空気流量を検出するために、ダイアフラム２５を直接測定媒体である吸入空気にさらす必要がある。封止樹脂６０から部分的に露出し、測定媒体に曝されていなければならない。これを実現する方法として、流量検出素子１５を実装したリードフレーム１０を下金型８０と上金型８１で挟み込む。この時、下金型８０、上金型８１を問わずに封止樹脂を流し込む挿入口８２が設けられている。さらに、開口部６１を形成するために、上金型８１とは別の金型である入れ駒８３を上金型８１に挿入するような構造としており、この入れ駒８３を上部から荷重をかけて流量検出素子１５の表面と密着させる。

また、下金型にはリードフレーム１０に形成された換気孔１１に封止樹脂が流れ込まないように突起部が形成されている。この突起部とリードフレーム１０とを、換気孔１１を含む領域とで密着させることで開口部６２が形成されるようになる。この状態で挿入口８２から封止樹脂６０を流し込めば、図２に示した半導体パッケージを製造することができる。

本発明の第二実施例について図4から図６を用いて説明する。なお、第一実施例と同じ構成については説明を省略する。

図4に示されるように、本発明の第二実施例は、半導体基板２０とリードフレーム１０との間に基板支持部材７０を設けている。半導体基板２０と基板支持部材７０とがシート接着剤３０によって接着されている。基板支持部材７０は、ダイアフラム２５の裏面側に形成される空洞領域に換気孔７１が形成され、換気孔７１が設けられる面と同一面上であって半導体基板２０が設けられていない領域に換気孔７２が形成されている。シート接着剤３０は、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部と基板支持体に設けられた換気孔７１とを連通するために換気孔３５が形成されている。さらに、基板支持部材７０に設けられた溝７３とリードフレーム１０とによって連通通路を形成し、該連通通路を介して換気孔７１と換気孔７２を連通させている。上記構成によりダイアフラム２５の裏面側の空洞部が密封されることを防止している。

このような構造体の利点として、半導体パッケージ２の裏面側が別の支持部材に全面接着されるような、図2で示される開口部６２が半導体パッケージと接着している支持部材により密封されてしまう場合にダイアフラム裏面側の空洞部の密封を防止するのに有効である。

なお、図4を用いた説明では、基板支持部材７０に溝７３を形成した構造となっているが、リードフレーム１０に溝７３形成して、基板支持部材７０とリードフレーム１０とで連通通路を構成する場合も同様の効果が得られる。

次に、図４の構造体を用いて、ダイアフラム２５を含む領域を部分的に露出するように樹脂封止した構造について図５を用いて示す。

図５に示されるように、基板支持部材７０に形成された換気孔７２と外気とを連通するような開口部６３が封止樹脂６０に設けられている。上記構成により、封止樹脂６０で流量検出素子１５とリードフレーム１０と基板支持部材７０とを一体に封止する場合でも、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部が密封されることを防いでいるので、流量検出誤差を抑制することができる。そのため、本発明の第二実施例は、検出精度の高い熱式流量センサを提供することができる。

第二実施例を用いた熱式流量計について図６を用いて説明する。

流量検出部７が副通路６内に配置され、換気孔７２および開口部６３が回路室１６内に配置されている。ダイアフラム２５の裏面側の空洞部は、シート接着剤３０に設けられる換気孔３５と、基板支持部材７０に設けられる換気孔７１と、基板支持部材７０とリードフレーム１０とによって形成された連通路と、基板支持部材７０に設けられる換気孔７２と、封止樹脂６０にも設けられる開口部６３とを介して回路室１６内に連通される。また、回路室１６はハウジング３に設けられた換気孔９を介して吸気管外と連通している。上記構成によって、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部が密封されることを防止している。

第二実施例の利点としては、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部をダストなどの汚損物が流れている副通路と連通するのでなく、回路室１６を介して吸気管外の外気と連通することができるので、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部にダストなどの汚損物が飛来することを抑制でき、耐汚損性が向上することができる点である。また、副通路６を流れるダストやオイルなどにより開口部６３や換気孔７２が塞がることがないので、信頼性が向上する。

本発明の第三実施例を、図７を用いて説明する。

図７（a）は、半導体基板２０を裏面から見た場合の外観を示している。本実施例においては、ダイアフラム２５の裏面側の開口形状に対し、リードフレーム１０に形成された換気孔１１の方が小さい場合を示した図である。この場合、ダイアフラム２５の裏面側に形成される空洞部と換気孔１１を連通させるために一致させる領域はリードフレーム１０に設けられる換気孔１１の領域となる。つまり、換気孔１１の領域がダイアフラム裏面開口端部内２４のどの場所に形成される場合おいても、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部を密封させないためには、換気孔１１の領域に少なくとも一つ以上の換気孔がシート接着剤３０に設けられている必要がある。

図７（ｂ）および図７（ｃ）に示されるように、本発明の第三実施例のシート接着剤３０には複数の換気孔３５が形成されている。多数個設けられた換気孔３５は、所定の間隔で３６，３７設けられている。ここで、所定の間隔とは、隣り合う連通孔の中心間の距離のことを示す。上述したとおり、換気孔３５はダイアフラムの裏面側の空洞部とリードフレーム１０に設けられた換気孔１１とを連通するように設けられる必要がある。そこで、所定の間隔３６，３７の内最も大きい間隔を、ダイアフラム裏面開口端部２４の領域とリードフレーム１０に形成された換気孔１１の領域とが一致する領域の最小寸法よりも小さくしている。上記構成により、ダイアフラム裏面開口端部２４の領域には、シート接着剤３０に設けられた複数個の換気孔３５のうち、少なくともひとつが必ず位置するようになるので、ダイアフラム２５裏面側の空洞部の密封を回避することができる。

本発明の第三実施例によれば、シート接着剤３０を流量検出素子に貼り付ける際の位置合わせが不要となり、製造工程を簡略化できるので、より低コストにダイアフラム２５の裏面側の空洞部の密封を防止できる。そのため、本発明の第三実施例によると流量検出誤差を抑制することができるので、検出精度の高い熱式流量センサを提供することができる。

また、換気孔３５の寸法は、半導体基板の外周部２７とダイアフラム裏面開口端部２４の間隔の最小寸法２８よりも小さくなるように構成されている。封止樹脂６０で流量検出素子１５などを樹脂封止する場合、換気孔の寸法が大きすぎると、流量検出素子１５の接着面とリードフレーム１０との間にダイアフラム２５の裏面側の空洞部と検出素子１５外とを連通するような隙間が発生してしまう。この隙間から封止樹脂６０がダイアフラム２５の裏面側へ漏れてしまう虞があるところ、上記構成によって該連通するような隙間が形成されないようにしているので、封止樹脂６０がダイアフラム２５の裏面側の空洞部に漏れ出ることを防止することができる。そのため、樹脂成形時の信頼性が向上する。

本発明の第三実施例のシート接着剤３０を、本発明の第一実施例および本発明の第二実施例に適応すると、ダイアフラム２５の裏面側の空洞部の密封を、低コストに実現できる。

なお、本発明の第一実施例から第二実施例における換気孔３５は、説明上円の形状としているが、その形状が正方形や長方形、あるいはだ円などのその他の形状であっても同様の効果が得られる。

1・・・吸入空気
2・・・半導体パッケージ
3・・・ハウジング
4・・・フランジ部
5・・・吸気管路
6・・・副通路
7・・・流量検出部
8・・・コネクタ端子
9・・・換気孔
10・・・リードフレーム
11・・・換気孔
12・・・コネクタ部
15・・・流量検出素子
16・・・回路室
20・・・半導体基板
21・・・発熱抵抗体
22・・・上流側温抵抗体
23・・・下流側温抵抗体
24・・・ダイアフラム裏面開口端部
25・・・ダイアフラム
26・・・絶縁膜層および抵抗体層の積層構造膜
27・・・半導体素子裏面外周部
28・・・ダイアフラム裏面開口端から半導体素子裏面外周部との最小寸法
30・・・シート接着剤
35・・・換気孔
36・・・所定の間隔
37・・・所定の間隔
40・・・電極パッド
50・・・ボンディングワイヤ
60・・・封止樹脂
61・・・開口部
62・・・開口部
63・・・開口部
70・・・基板支持部材
71・・・換気孔
72・・・換気孔
73・・・溝
80・・・モールド下金型
81・・・モールド上金型
82・・・樹脂流し口
83・・・入れ駒

Claims (8)

1. 半導体基板を加工して設けられるダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられる発
   熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の上流側と下流側にそれぞれ設けられる側温抵抗体と、を有
   する流量検出素子と、
   前記流量検出素子を、シート接着剤を介して接着保持する支持部材と、を備え、
   前記支持部材は、前記ダイアフラムの裏面側に設けられる空洞部に一方が開口する連通
   孔を有しており、
   前記シート接着剤は、換気孔を有しており、
   前記換気孔は、前記空洞部と前記連通孔の一方の開口とを連通するように、前記支持部
   材の連通孔の開口領域に対応するシート接着剤の領域に設けられていることを特徴とする
   熱式流量センサ。
   
2. 請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記シート接着剤には、多数の換気孔が所定の間隔ごとに前記シート接着剤一面に形成されていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
   
3. 請求項２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記シート接着剤に形成された換気孔の最大寸法は、半導体素子の裏面におけるダイアフラム裏面開口端から半導体素子裏面外周部との最小寸法よりも小さいことを特徴とする熱式空気流センサ。
   
4. 請求項３に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記支持部材と前記流量検出素子とを一体に封止する樹脂を有しており、
   前記樹脂は、前記ダイアフラムを露出させるための第一の開口部と、前記支持部材に設けられた連通孔を露出させるための第二の開口部とを有していることを特徴とする熱式空気流量センサ。
   
5. 請求項２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記所定の間隔は、前記ダイアフラム裏面開口領域と前記支持基板に形成された換気孔領域とが一致する領域の最小寸法よりも小さいことを特徴とする熱式流量センサ。
   
6. 請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、前記支持部材はリードフレームであることを特徴とする熱式空気流量センサ。
   
7. 請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記支持部材は、リードフレーム上に接着保持されていて、
   前記支持部材に設けられた連通孔の他方の開口部は、前記一方の開口部が開口している面と同一面でかつ前記流量検出素子に覆われていない領域に開口していることを特徴とする熱式空気流量センサ。
   
8. 請求項７に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記リードフレームと前記支持部材と前記流量検出素子とを一体に封止する樹脂を有しており、
   前記樹脂は、前記ダイアフラムを露出させるための第一の開口部と、前記支持部材に設けられた連通孔の他方の開口部を露出させるための第二の開口部とを有していることを特徴とする熱式空気流量センサ。